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基金项目:国家自然科学基金资助项目(60575051);江苏省高校自然科学基金(03K J B120005)收稿日期:2007-04-09 修回日期:2007-11-08第25卷 第7期计 算 机 仿 真2008年7月文章编号:1006-9348(2008)07-0145-04遥微操作机器人系统滑模变结构控制研究王艳,曾庆军(江苏科技大学电子信息学院,江苏镇江212003)摘要:遥微操作机器人是一种应用于医疗、微生物工程及微机械等领域的特殊遥操作机器人系统,文中主要针对面向微创外科手术系统的遥微操作机器人系统中,操作者及作业环境往往具有时变性而易导致系统不稳定且难以控制的问题,在已有的动力学模型的基础上,设计了一种新型的滑模变结构控制方案,在该方案中主机械手采用阻抗控制而从机械手采用滑模变结构控制策略。
仿真实验结果表明了方案的有效性和鲁棒性,系统能较好地实现位置比例跟踪和力比例跟踪。
关键词:遥微操作机器人;滑模变结构控制;比例跟踪;仿真中图分类号:TP242 文献标识码:ASli di ng -M ode Contro ller for Tele -m icro m ani pul ation R obot Syste mWANG Y an ,ZENG Q ing-j u n(Schoo l of E lectronic and Info r ma ti on Eng i neer i ng ,Jiangsu U n i ve rs i ty o f Science and T echno l ogy ,Zhen jiang Jiangsu 212003,Chi na)ABSTRACT :T e le-m i c ro m anipulation robot i s a spec ial te l e -man i pu l a tion robot syste m used i nvasively i n m edi c i ne ,m icro -b i oeng ineer i ng and m i cro -m echan i ca l syste m.T he sy stem for M IS techno l og ies i n m ed i c i ne m ay be co m e unstab l e because the operater and ope rating-env ironment som eti m es hav e ti m e-vary i ng charac teristi cs .In or der to so lve t h is prob le m,a ne w slidi ng-mode contro ller sche m e is des i gned ,i n wh ich the i m pedance contro l is used fo r t he m aster dev ice ,wh ile the sli ding -m ode contro l is used fo r the slave dev ice .T he si m ulati on resu lts m anifest the vali d it y and robustness o f the desi gned contro llers and the syste m can atta i n better sca led track i ng o f p l ace m ent and force .KEY W ORDS :T ele-m icrom an i pu lati on robot ;S li ding-m ode con tro ;l Scaled track i ng;S i m u l ation1 引言遥操作机器人是指在人的操纵下能在人难以接近(距离遥远、对人有害或操作有难度)的环境中完成比较复杂的精细操作的一种远距离操作系统。
移动操作机器人及其共享控制力反馈遥操作研究博士学位论文移动操作机器人及其共享控制的力反馈遥操作研究RESEARCH ON MOBILE MANIPULATOR AND ITSFORCE FEEDBACK TELEOPERATION BASED ONSHARED CONTROL MODE于振中哈尔滨工业大学2010年 11月国内图书分类号:TP242.2学校代码:10213国际图书分类号:681.5 密级:公开工学博士学位论文移动操作机器人及其共享控制的力反馈遥操作研究博士研究生 :于振中导师 :蔡鹤皋院士副导师 :赵杰教授申请学位 :工学博士学科 :机械电子工程所在单位 :机电工程学院答辩日期 : 2010 年 11 月授予学位单位 :哈尔滨工业大学Classified Index: TP242.2U.D.C: 681.5Dissertation for the Doctoral Degree in EngineeringRESEARCH ON MOBILE MANIPULATOR AND ITSFORCE FEEDBACK TELEOPERATION BASED ONSHARED CONTROL MODEYu ZhenzhongCandidate:Supervisor: Academician Cai HegaoVice-Supervisor: Prof. Zhao Jie Academic Degree Applied for: Doctor of EngineeringSpeciality: Mechantronics EngineeringUnit: School of Mechatronics EngineeringDate of Defense: Nov, 2010University: Harbin Institute of Technology摘要摘要移动操作机器人相比于固定操作机器人具有更大的操作空间和更强的操作灵活性,成为机器人领域研究的热点方向之一。
机器人的发展史机器人的诞生和机器人学的建立及发展，机器人的诞生和机器人学的建立及发展，是是20世纪自动控制领域最具说服力的成就，是20世纪人类科学技术进步的重大成果。
现在全世界已经有100万台机器人，销售额每年增加20%及以上。
机器人技术和工业得到了前所未有的发展。
机器人技术是现代科学与技术交叉和综合的体现，先进机器人的发展代表着国家综合科技实力和水平，因此目前许多国家都已经把机器人技术列入本国21世纪高科技发展计划随着机器人应用领域的不断扩大，机器人已从传统的制造业进入人类的工作和生活领域，已从传统的制造业进入人类的工作和生活领域，另外，另外，随着需求范围的扩大，随着需求范围的扩大，机器人结构和机器人结构和形态的发展呈现多样化。
高端系统具有明显的仿生和智能特征，高端系统具有明显的仿生和智能特征，其性能不断提高，其性能不断提高，功能不断扩展和完善；各种机器人系统便逐步向具有更高智能和更密切与人类社会融洽的方向发展。
一、早期机器人的发展机器人的起源要追溯到3000多年前。
“机器人”是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够代替人去进行各种工作。
人去进行各种工作。
直到四十多年前，“机器人”才作为专业术语加以引用，“机器人”才作为专业术语加以引用，然而机器人的概念在人类的想然而机器人的概念在人类的想象中却已存在三千多年了。
象中却已存在三千多年了。
早在我国西周时代早在我国西周时代早在我国西周时代（公元前（公元前1066年~前771年），就流传着有关巧匠偃师献给周穆王一个艺妓（歌舞机器人）的故事。
巧匠偃师献给周穆王一个艺妓（歌舞机器人）的故事。
春秋时代春秋时代（公元前（公元前770~前467）后期，被称为木匠祖师爷的鲁班，被称为木匠祖师爷的鲁班，利用竹子和木料制造利用竹子和木料制造出一个木鸟，它能在空中飞行，出一个木鸟，它能在空中飞行，“三日不下”，这件事在古书《墨经》中有所记载，这可称“三日不下”，这件事在古书《墨经》中有所记载，这可称得上世界第一个空中机器人。
计算机测量与控制．２０２１．２９（１２） 犆狅犿狆狌狋犲狉犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋牔犆狅狀狋狉狅犾 ·９３ ·收稿日期：２０２１０３３１； 修回日期：２０２１０５１１。
基金项目：国家自然科学基金项目（６１９０３１２６）；河南省科技厅重点研发与推广专项（２１２１０２２１０１９７，２１２１０２２１０１４５，２１２１０２２１０５０８）。
作者简介：张建军（１９８３），男，河南太康人，博士，讲师，硕士生导师，主要从事基于力觉感知的机械手遥操作方向的研究。
引用格式：张建军，米兆文，邵世龙，等．基于ＳＴＭ３２的力觉反馈装置及用于主从遥操作实现［Ｊ］．计算机测量与控制，２０２１，２９（１２）：９３９７．文章编号：１６７１４５９８（２０２１）１２００９３０５ ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０２１．１２．０１８ 中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：Ａ基于犛犜犕３２的力觉反馈装置及用于主从遥操作实现张建军，李沙沙，米兆文，邵世龙，常 贺，陈龙正，高毓媛（河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作 ４５４０００）摘要：在遥操作系统中为了增强现实及实现本地力觉信号再现功能以提高精细化操作的目的，设计了用于人机交互功能的力反馈装置；该装置为单自由度结构，基于步进电机驱动；利用ＳＴＭ３２微控制器采集触觉力信号以及关节位移信号，通过设计基于力误差的控制律调整位置变量实现输出力信号与标准力信号的匹配；为了验证该力反馈装置进行了标准力信号再现实验；并且利用该力反馈装置作为主机械手与单自由度从机械手搭建遥操作装置，进行了力、位置双边跟踪实验验证，实现了主、从机械手力、位置协同一致的目的。
关键词：力反馈装置；ＰＩＤ控制；力、位跟踪；ＳＴＭ３２；遥操作犃犉狅狉犮犲犉犲犲犱犫犪犮犽犇犲狏犻犮犲犅犪狊犲犱狅狀犛犜犕３２犪狀犱犐狋狊犃狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀犻狀犕犪狊狋犲狉－狊犾犪狏犲犜犲犾犲狅狆犲狉犪狋犻狅狀ＺＨＡＮＧＪｉａｎｊｕｎ，ＬＩＳｈａｓｈａ，ＭＩＺｈａｏｗｅｎ，ＳＨＡＯＳｈｉｌｏｎｇ，ＣＨＡＮＧＨｅ，ＣＨＥＮＬｏｎｇｚｈｅｎｇ，ＧＡＯＹｕｙｕａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｕｇｍｅｎｔｒｅａｌｉｔｙａｎｄｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｌｏｃａｌｆｏｒｃｅ－ａｗａｒｅｓｉｇｎａｌｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｉｍｐｒｏｖｅｐｒｅｃｉｓｅｏｐｅｒａ ｔｉｏｎ，ｔｈｅｆｏｒｃｅｆｅｅｄｂａｃｋｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｈｕｍａｎ－ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓａｓｉｎｇｌｅｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｂａｓｅｄｏｎｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅ．ＵｓｉｎｇｔｈｅＳＴＭ３２ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｏｃｏｌｌｅｃｔｈａｐｔｉｃｆｏｒｃｅｓｉｇｎａｌａｎｄｊｏｉｎｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｆｏｒｃｅｓｉｇｎａｌｉｓｍａｔｃｈｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｆｏｒｃｅｓｉｇｎａｌｂｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｗａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎｖａｒｉａｂｌｅｂａｓｅｄｏｎｆｏｒｃｅｅｒｒｏｒ．Ｔｈｅｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｂｕｉｌｔｗｉｔｈｔｈｅｕｓｅｏｆｔｈｅｆｏｒｃｅｆｅｅｄｂａｃｋｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｓｉｎｇｌｅｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍｓｌａｖｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｅｆｏｒｃｅａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｂｉｌａｔｅｒａｌｔｒａｃｋｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｇｏａｌｏｆｔｈｅｍａｓｔｅｒａｎｄｓｌａｖｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｆｏｒｃｅａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｆｏｒｃｅｆｅｅｄｂａｃｋｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｆｏｒｃｅａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｔｒａｃｋｉｎｇ；ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ＳＴＭ３２；ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ０ 引言基于力觉反馈的主从机械手遥操作双边控制系统摆脱了距离限制［１］，避免了操作者直接处于危险区域，融合了人的高级智能和机器人的可扩展性，实现了人机智能交互功能［２３］。
机器人技术及应用-机器人控制系统举例机器人技术及应用机器人控制系统举例在当今科技飞速发展的时代，机器人已经成为了我们生活和生产中不可或缺的一部分。
从工业制造中的自动化生产线，到医疗领域的手术机器人，再到家庭服务中的智能机器人，机器人的应用范围越来越广泛。
而机器人能够如此高效、精准地完成各种任务，离不开其核心的控制系统。
机器人控制系统就像是机器人的“大脑”，它负责指挥机器人的动作、感知环境、处理信息以及做出决策。
一个优秀的机器人控制系统能够使机器人更加灵活、智能和可靠，从而更好地满足各种应用需求。
接下来，让我们通过几个具体的例子来深入了解一下机器人控制系统。
首先，我们来看工业机器人中的控制系统。
以汽车生产线上的焊接机器人为例，它需要在快速移动的同时，精确地将焊点焊接在指定的位置上，并且要保证焊接的质量和稳定性。
为了实现这一目标，其控制系统通常采用了高精度的运动控制算法和传感器反馈技术。
在运动控制方面，控制系统会根据预设的焊接路径和速度，计算出机器人各个关节的运动轨迹和速度指令。
通过精确控制电机的转速和转角，实现机器人手臂的平稳、快速运动。
同时，为了应对生产过程中的各种不确定性因素，如工件的尺寸偏差、装配误差等，控制系统还会实时监测机器人的实际位置和姿态，并与预设值进行比较，通过反馈控制算法对运动指令进行调整，以确保焊接的精度和质量。
在传感器方面，焊接机器人通常配备了激光测距传感器、视觉传感器等设备，用于感知工件的位置、形状和焊缝的特征。
这些传感器采集到的数据会实时传输给控制系统，控制系统经过处理和分析后，能够根据实际情况对焊接参数进行优化，例如调整焊接电流、电压和焊接时间等，从而提高焊接的效率和质量。
除了工业机器人，服务机器人中的控制系统也有着独特的特点和应用。
以家用扫地机器人为例，它需要在复杂的家庭环境中自主移动、避开障碍物，并完成清扫任务。
扫地机器人的控制系统通常采用了基于地图构建和路径规划的算法。
